高壓旋流除砂裝置的研制

姬 峰

(西安石油大學(xué),陜西西安 710065)

0 引言

目前，國內(nèi)多個(gè)地區(qū)存在超深油氣田和油氣井，如塔里木盆地的克深7井、克深902井鉆探深度達(dá)到了8 023 m、8 038 m[1]。高壓油氣井壓裂返排及生產(chǎn)過程中，地層中的固體顆粒隨油氣流從井筒流出。攜砂給地面設(shè)備和管線的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來了極大威脅，對氣田的正常生產(chǎn)造成影響[2]。

過去主要的防砂措施是降低產(chǎn)液量以降低出砂率、在井下安裝節(jié)流嘴或頻繁進(jìn)行設(shè)備維護(hù)來增加設(shè)備的運(yùn)行周期。實(shí)際上，井下節(jié)流并不能很好解決高壓油氣井除砂問題，相反井上除砂適應(yīng)性更強(qiáng)且效果更好。國外在20世紀(jì)90年代中期開始引入了多相除砂器，能夠在線去除井口節(jié)流器處的固體，保持產(chǎn)量的同時(shí)又能保護(hù)工藝設(shè)備。傳統(tǒng)的井上除砂裝置不能應(yīng)對高壓和大流量除砂的需要，如沉降式分離裝置體積大、沉降時(shí)間長且壓力等級提高會增加成本；過濾式裝置需要頻繁更換濾網(wǎng)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)排砂；傳統(tǒng)的旋流式分離裝置不適應(yīng)高壓工況[3]。

高壓旋流除砂器運(yùn)用雙筒結(jié)構(gòu)，相對于國內(nèi)同類型除砂器以單筒結(jié)構(gòu)為主，雙筒結(jié)構(gòu)可以更好實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。通過配套管線可以有效適應(yīng)不同的工況和要求。另外，在旋流筒內(nèi)設(shè)置錐筒內(nèi)襯，有效降低筒體的磨蝕，減少維護(hù)費(fèi)用，在錐體段安裝格柵，有效防止氣體攜砂的反流現(xiàn)象[4]。

1 旋流裝置的研制

1.1 結(jié)構(gòu)

除砂裝置的主體部分采用2個(gè)工作除砂裝置，通過管線和閥門可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)工作、交替作業(yè)和同時(shí)作業(yè)。交替作業(yè)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)旋流除砂裝置達(dá)到排砂條件時(shí)進(jìn)行排砂作業(yè)，同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)旋流除砂裝置進(jìn)行除砂工作，可以保證生產(chǎn)過程不間斷。每個(gè)除砂裝置主體都由旋流筒和集砂筒組成，旋流筒的主要功能是將攜砂的采出氣經(jīng)旋流筒分離后由離心加速度迫使固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡朝向筒壁，然后下降至儲砂筒，儲砂桶可以將分離后的固體顆粒收集并處理。結(jié)合配套進(jìn)氣管線、氣路管線、沖砂管線和排砂管線進(jìn)行多個(gè)裝置之間串聯(lián)或并聯(lián)連接來適應(yīng)不同處理量和含砂量的需求。實(shí)際使用中，管線與管線和管線與主體之間均設(shè)置雙閥來保證高壓工作條件下的安全性。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—溢流管出口；2—框架；3—?dú)怏w出口；4—分離器；5—進(jìn)口管線；6—泄壓閥；7—儲砂筒；8—液砂出口閥；9—液砂出口

旋流筒主要由旋流腔、溢流管、錐體段和底流口組成，如圖2所示。旋流筒的入口段設(shè)計(jì)成切向入口形式來改變原有流體運(yùn)動(dòng)軌跡。旋流腔為圓筒形，大小決定了旋流器的處理能力，旋流腔的直徑根據(jù)分離粒度的要求選擇：當(dāng)分離的粒度較大時(shí)，可以選用大直徑旋流器；而分離粒度要求較細(xì)時(shí)，可以應(yīng)選用小直徑的旋流器。溢流管由空心圓筒體組成，與外面的分離器筒體同心，將分離后的氣體排出旋流器內(nèi)部。錐體部分一般有3種類型，分別為標(biāo)準(zhǔn)型、短錐型和長錐型。由于錐體部分是實(shí)施氣砂分離的主要區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)更好分離效果，通常錐體段選擇長錐形。底流口位于旋流筒最下方，由錐體段延伸向下且與錐體段相連，將分離的大部分粒徑較大的固體顆粒排出旋流分離器。旋流筒內(nèi)還配有導(dǎo)流葉片來防止未被分離的較小砂粒隨氣體逃逸出分離裝置，以實(shí)現(xiàn)二次分離的功能[5]。

1—溢流管；2—旋流腔；3—進(jìn)氣口；4—錐體段；5—底流口；6—導(dǎo)流葉片

儲砂筒決定了分離裝置的存砂容量，與上部旋流筒相對接，位于旋流筒的正下方，旋流器與儲砂筒之間由雙閥控制。儲砂筒的大小和長度根據(jù)采出物含砂量和處理要求而定，通常選擇為2.0～6.0倍圓柱筒體直徑。儲砂筒越長可以增加設(shè)備的存砂量，延長工作時(shí)長。

1.2 工作原理

高壓除砂裝置具體的操作流程如圖3所示。首先開啟管線進(jìn)口閥門,由A系統(tǒng)開始進(jìn)行分離作業(yè)。打開A系統(tǒng)分離器入口閥和溢流管出口閥并使B系統(tǒng)所有閥門均保持關(guān)閉。井口流出的攜砂混合氣體由進(jìn)口管線進(jìn)入A系統(tǒng)分離器中進(jìn)行旋流除砂作業(yè),氣體由溢流管經(jīng)氣路管線流出,固體顆粒落入儲砂筒中,當(dāng)儲砂筒中砂量即將達(dá)到設(shè)置量時(shí),逐步結(jié)束A系統(tǒng)的除砂作業(yè),同時(shí)在結(jié)束A系統(tǒng)除砂作業(yè)之前，開啟B系統(tǒng)分離器入口閥門和B系統(tǒng)溢流管出口閥門,使B系統(tǒng)逐步接替A系統(tǒng)工作。當(dāng)B系統(tǒng)完全工作后，關(guān)閉A系統(tǒng)的分離器入口閥和溢流管出口閥并打開A系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥、泄壓閥、液砂出口閥和排砂管線前的調(diào)節(jié)閥，使A系統(tǒng)進(jìn)入排砂作業(yè)。沖砂管線外部可接輔助用沖砂水泵,可以在排砂的同時(shí)開啟沖砂閥門進(jìn)行輔助排砂。待A系統(tǒng)排砂作業(yè)完成后逐步關(guān)閉上述閥門,等待接替B系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)排砂作業(yè)。通過AB系統(tǒng)實(shí)施轉(zhuǎn)換,交替執(zhí)行除砂和沖砂作業(yè)來保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖3 除砂裝置的工藝流程圖

1.3 主要尺寸參數(shù)

系統(tǒng)額定流量為30萬m3/d，進(jìn)口壓力為70 MPa。旋流器直徑為300 mm，長度1 446 mm，入口直徑為60 mm，溢流管直徑為90 mm，插入深度為746 mm，底流口直徑為150 mm，錐體上部直徑為300 mm、下直徑為150 mm，錐段長450 mm，錐角為9.2°。根據(jù)GB 150—2011，最終確定筒體內(nèi)徑為300 mm，筒體材料為16MnR，壁厚為100 mm[6]。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

整體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，搬運(yùn)方便靈活。除砂處理時(shí)間短，內(nèi)部無轉(zhuǎn)動(dòng)部件且不需要外部能量帶動(dòng)，操作簡單安全，易于維護(hù)，勞動(dòng)強(qiáng)度低?？梢酝ㄟ^切換串并聯(lián)連接來滿足不同除砂效果和處理量要求，還能夠滿足高壓大氣量的工作要求和連續(xù)作業(yè)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2019年8月—10月初，已經(jīng)在瑪湖區(qū)完成了8口井的除砂作業(yè)，其運(yùn)行最高壓力為70 MPa，氣量50萬m3/d，液量200 m3/d，砂量0.5 m3/d，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)除砂，避免了井口設(shè)置節(jié)流管匯可能發(fā)生的砂堵和由于砂堵而危及井口裝置的情況。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：高壓含砂氣流經(jīng)過高壓旋流除砂裝置后，可以實(shí)現(xiàn)主要除砂功能，對于直徑100 μm以上的砂?？梢詫?shí)現(xiàn)完全分離，液砂分離效果較好，且裝置安全可靠，能夠承受70 MPa的壓力，操作簡便安全，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。撬裝裝置體積緊湊，可方便進(jìn)行轉(zhuǎn)場作業(yè)，目前已試應(yīng)用于8口氣井，取得良好的分離效率，處理結(jié)果如表1所示。

表1 旋流分離器分離效果

3 結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)氣田氣井出砂現(xiàn)狀，以兩罐并聯(lián)方式解決除砂器不能連續(xù)作業(yè)和不停工實(shí)現(xiàn)清砂困難的難題。實(shí)現(xiàn)了高壓氣井旋流除砂裝置的國產(chǎn)化，解決了現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題。

但是裝置由于采用雙筒結(jié)構(gòu)，使得操作空間受到了一定的限制，在結(jié)構(gòu)上可以嘗試單旋流筒的設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)除砂的連續(xù)作業(yè)能力，在工藝流程上更多使用電動(dòng)控制閥和傳感設(shè)備提升設(shè)備的自動(dòng)化程度。